冲击地压扰动响应失稳理论并行计算

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作者 潘一山 王学滨 +1 位作者 郑一方 陈双印 《煤炭学报》 北大核心 2025年第1期81-91,共11页

目前,冲击地压理论研究已经完成了从定性分析到定量分析的转变。巷道围岩临界应力计算是巷道安全性评价的重要依据。鉴于冲击地压问题的极度复杂性,在理论上继续取得突破极为困难。基于理论公式的巷道围岩临界应力计算,无法考虑更复杂... 目前,冲击地压理论研究已经完成了从定性分析到定量分析的转变。巷道围岩临界应力计算是巷道安全性评价的重要依据。鉴于冲击地压问题的极度复杂性,在理论上继续取得突破极为困难。基于理论公式的巷道围岩临界应力计算,无法考虑更复杂的实际情况,例如非圆形巷道、非静水压力和复杂岩层结构。冲击地压理论和数值计算相结合具有更加广阔的应用前景,能使冲击地压理论进一步走向实际应用,这是极有价值的发展方向。这方面研究成果的成功取得依赖于数值计算技术的快速发展。研究将当今较先进的岩层运动并行计算系统StrataKing(一种自主开发的以拉格朗日元与离散元耦合方法为基础的非线性断裂力学GPU并行计算方法)与冲击地压扰动响应失稳理论相结合,首次提出了圆形巷道扰动响应失稳理论的数值模拟方法。该方法的思想是将非线性断裂力学数值分析方法中的Ⅱ型断裂能设定为中间变量,从而建立了静水压力条件下圆形巷道围岩临界应力与冲击能指数之间的关系。为了获取冲击能指数的数值解,采用了仅出现一个剪切面的理想岩样进行单轴压缩数值试验,以排除其他因素对应力-应变曲线峰后倾向于直线部分斜率的影响。对于高角度剪切破裂,提出了将非标准岩样的计算结果转换成标准岩样的结果的折算方法。折算后冲击能指数的范围为0.17~13.52,位于全国131个冲击地压矿井的调研数据之内。巷道围岩临界应力的计算结果是理论结果的0.4~2.5倍,这与针对全国20个冲击地压矿井的调研数据(临界应力的修正系数普遍大于1,甚至接近8)定性相符,从局部化破坏围岩比均匀破坏围岩的承载力高的角度进行了解释。冲击地压与局部化的关系过去有讨论,扰动响应失稳理论与局部化过去并无关系。通过局部化,扰动响应失稳理论与冲击地压之间在破坏机理上产生了密切的关联。StrataKing可为冲击地压矿井巷道安全性评价提供强大的算力支撑。 展开更多

关键词 冲击地压 定量分析 扰动响应失稳理论 冲击能指数 局部化 并行计算 临界应力

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冲击载荷下叠合岩层巷道围岩的应力演化数值模拟研究——基于岩层运动并行计算系统StrataKing

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作者 岑子豪 王学滨 +1 位作者 薛承宇 张钦杰 《防灾减灾工程学报》 CSCD 北大核心 2024年第1期59-67,共9页

煤系地层属于典型的层状沉积岩层,这在传统连续介质模型中不能被较好反映。为了探究冲击载荷下叠合岩层巷道围岩的应力演化规律,采用以拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法为基础发展的岩层运动并行计算系统StrataKing,基于理想化模... 煤系地层属于典型的层状沉积岩层,这在传统连续介质模型中不能被较好反映。为了探究冲击载荷下叠合岩层巷道围岩的应力演化规律,采用以拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法为基础发展的岩层运动并行计算系统StrataKing,基于理想化模型分析了巷道上表面附近应力波的叠加。阐明了应力波叠加导致顶板开裂机理,并且探讨了冲击载荷幅值的影响规律。研究发现:在原始压应力波传至巷道上表面附近测点后,该测点的最大主应力刚开始呈下降-上升-下降的变化趋势,这是由原始压、拉应力波不同时刻的叠加不同导致的;由于次级应力波的波长较原始应力波的小,次级压、拉应力波的单独作用更明显,它们的叠加使巷道上表面附近测点能产生更低和更高的最大主应力,甚至导致顶板开裂;冲击载荷幅值越大,近似阶梯增长阶段中拉裂纹平均发展速度越快,巷道围岩最终开裂范围越大,巷道围岩平衡越困难。 展开更多

关键词 StrataKing 冲击载荷 巷道围岩 叠合岩层 应力演化 应力波叠加

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断层黏滑失稳过程声-电信号响应特征研究

3

作者 赵扬锋 丁玲 +2 位作者 王学滨 樊艺 荆刚 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第4期973-990,共18页

为深入探索断层黏滑失稳的阶段特性以及声-电多源联合前兆特征,对含不同预制倾角断层的正长花岗岩开展了侧压分别为5、15、25MPa的双向剪切摩擦试验,观察和分析了断层黏滑失稳过程的力学行为以及声发射、电荷感应信号的时频响应特征。... 为深入探索断层黏滑失稳的阶段特性以及声-电多源联合前兆特征,对含不同预制倾角断层的正长花岗岩开展了侧压分别为5、15、25MPa的双向剪切摩擦试验,观察和分析了断层黏滑失稳过程的力学行为以及声发射、电荷感应信号的时频响应特征。结果表明:(1)侧压和断层倾角改变了断层的黏滑特征,进而影响了感应电荷量和声发射事件震级。侧压越大,间黏滑和黏滑失稳阶段的电荷量占比以及电荷累积速度越大。相较于56º断层,45º断层黏滑失稳时基于振幅的统计指标b值更小,大尺度破裂占比更大。(2)声-电信号幅值的分形特征可以反映断层面黏滑错动释放能量的差异。声-电信号频域的阶段性响应特点可有效辨识实验室尺度下断层黏滑失稳的演化过程,可以将声-电信号主频幅值急剧提高作为断层黏滑失稳前兆特征之一。临近断层黏滑失稳时声发射和电荷感应参量(能量、分形维数、频谱幅值)均呈现明显的“突增”特性。(3)声-电信号能量突增与黏滑应力降之间具有较好的对应性,但并不完全同步。断层黏滑失稳时,声发射会先于电荷感应产生高幅值信号。仅采用单一声发射或电荷感应信号来预警有可能造成信息漏报、误报,需结合声发射和电荷感应信号特征以实现声-电二元信号的相互补充与验证。 展开更多

关键词 斜交断层 黏滑 声发射 电荷感应 时频特征

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三维连续-非连续并行计算方法及其在岩爆过程模拟中的应用 被引量：2

4

作者 王学滨 杜轩 +3 位作者 薛承宇 陈双印 廖裴彬 余保健 《水资源与水工程学报》 CSCD 北大核心 2024年第1期177-185,共9页

随着深部岩石工程的发展,岩爆变得越发严重。在岩爆的数值模拟方面,连续方法和非连续方法均具有一定的局限性。兼具二者优势的连续-非连续方法更具优势,且正在快速发展。基于CUDA对自主开发的三维拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方... 随着深部岩石工程的发展,岩爆变得越发严重。在岩爆的数值模拟方面,连续方法和非连续方法均具有一定的局限性。兼具二者优势的连续-非连续方法更具优势,且正在快速发展。基于CUDA对自主开发的三维拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法进行了GPU并行加速。为了探索岩爆的机理和过程,模拟了不同静水压力、侧压系数和单元数目(最多达100×10^(4))条件下圆形洞室围岩V形坑的演化规律和单元弹射现象。考察了洞室围岩中裂纹的定量演化规律。研究表明:当静水压力较大时,基于芬纳公式的支护设计偏于不安全。由于V形坑的位置发生改变,V形坑的平均最大深度随着静水压力的增加先缓慢增加后快速增加。关于洞室围岩V形坑的模拟结果能与有关的实验结果、数值结果和现场观测结果吻合。上述研究很好地体现了岩爆并行计算较串行计算和商业软件计算的优势。 展开更多

关键词 岩爆 GPU并行计算 三维连续-非连续方法 V形坑 静水压力 侧压系数 洞室

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煤矿冲击地压源头防治理论与技术架构 被引量：47

5

作者 齐庆新 马世志 +17 位作者 孙希奎 赵善坤 李云鹏 李海涛 于斌 潘鹏志 王守光 李宏 李一哲 王旭东 张修峰 王学滨 李宏艳 陆菜平 王书文 韩军 乔文俊 张宁博 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第5期1861-1874,共14页

我国煤矿安全状况虽持续好转,但煤矿冲击地压灾害的影响却愈发严重,仅近5 a就发生了8起冲击地压事故,累计死亡48人。我国煤矿冲击地压防治多为“头痛医头、脚疼医脚”,冲击地压发生源头、孕灾机理不清。同时,以山东巨野、兖州等煤田为... 我国煤矿安全状况虽持续好转,但煤矿冲击地压灾害的影响却愈发严重,仅近5 a就发生了8起冲击地压事故,累计死亡48人。我国煤矿冲击地压防治多为“头痛医头、脚疼医脚”,冲击地压发生源头、孕灾机理不清。同时,以山东巨野、兖州等煤田为代表的东部充分采动矿井,具有开采深度大、采动影响因素复杂等特征;以内蒙古鄂尔多斯和陕西彬长矿区为代表的西部非充分采动矿井,则具有高强度开采、厚硬岩层等特征,均给冲击地压防治带来了新的挑战。因此,煤矿冲击地压源头防治已成为当前亟待解决的重大工程科学问题。针对这一难题,从冲击地压基础理论与模拟技术、监测及危险区判识技术、区域与局部防控技术装备等3方面系统的分析了当前冲击地压研究取得的成果与不足,结合前期研究基础与现场实践,提出了煤矿冲击地压源头防治思想。进而将其梳理为煤矿冲击地压源头属性与特性、煤矿冲击地压全过程孕灾与源头防治原理等2个科学问题,冲击地压全过程精细模拟技术、矿井全生命周期煤岩体应力与全尺度覆岩结构监测技术、冲击危险精准甄别与智能识别技术、煤矿冲击地压井上下协同防控技术等4个技术问题。根据生产矿井和新建矿井的特点,分别制定了相应的防治思路与技术框架。研究成果为我国煤矿冲击地压防治提供了一种新的思路,为煤矿“零冲击”目标提供理论依据与技术支撑。 展开更多

关键词 煤矿冲击地压 源头防治 “三因素”机理 应力流理论 应力控制

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单轴压缩湿砂土试样主应变轴偏转规律试验研究 被引量：5

6

作者 顾路 王学滨 +1 位作者 杜亚志 冯威武 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第4期1013-1022,1041,共11页

利用自主开发的基于粒子群优化的数字图像相关方法,获得了单轴压缩湿砂土试样观测平面内主应变轴偏转角的时空分布规律。采用双三次样条插值方法,获取了任意位置的主应变轴偏转角,分析了土样将来出现剪切带位置、剪切带的中心及其尖端... 利用自主开发的基于粒子群优化的数字图像相关方法,获得了单轴压缩湿砂土试样观测平面内主应变轴偏转角的时空分布规律。采用双三次样条插值方法,获取了任意位置的主应变轴偏转角,分析了土样将来出现剪切带位置、剪切带的中心及其尖端附近和剪切带外的主应变轴偏转角随纵向应变的演变规律。研究发现,随着纵向应变的增加,在土样观测平面内,主应变轴偏转角的范围由分散逐渐变得稳定,大部分区域最终分布在-10°~10°之间。当出现较清晰的剪切带以后（硬化阶段后期）,剪切带内不同位置处主应变轴偏转角基本趋于恒定或稍有下降,大致稳定在-5°~5°之间,这与剪切带外的点的主应变轴偏转角均处于发展之中不同;而在剪切带尖端附近的点,主应变轴偏转角随纵向应变的演变规律比较复杂。 展开更多

关键词 砂土试样 主应变轴偏转 剪切带 样条插值 数字图像相关方法

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考虑蠕变剪裂的拉格朗日元与离散元耦合方法及应用

7

作者 王学滨 陈双印 +1 位作者 郑一方 廖裴彬 《岩土力学》 北大核心 2025年第2期613-624,共12页

随着煤炭开采向深部转移,巷道冒顶、底臌和两帮移进等软岩大变形问题层出不穷,对煤矿安全生产带来了严峻的挑战。目前,兼具连续方法和非连续方法优势的连续-非连续方法正在快速发展,然而,基于连续-非连续方法的蠕变研究尚少见报道。为... 随着煤炭开采向深部转移,巷道冒顶、底臌和两帮移进等软岩大变形问题层出不穷,对煤矿安全生产带来了严峻的挑战。目前,兼具连续方法和非连续方法优势的连续-非连续方法正在快速发展,然而,基于连续-非连续方法的蠕变研究尚少见报道。为了模拟蠕变剪裂现象,以岩石发生蠕变破坏时的应变位于三轴压缩应力-应变曲线峰后区域内这一试验现象为基本依据,在自主开发的拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法中,考虑了单元的黏弹性,发展了能模拟界面黏塑性的蠕变剪裂模型,并引入了蠕变剪裂判据。单轴压缩岩样的蠕变曲线计算结果与试验结果基本相符,蠕变剪裂开始稍后,岩样即进入加速蠕变阶段,这表明所提出的方法具有模拟加速蠕变的潜力。针对软岩巷道的计算表明,在深部围岩的推挤作用下,离散块体涌向巷道,导致巷道断面急剧缩小,在宏观上表现为大变形,巷道竖直方向收缩率可达58.8%。从单元的黏弹性和界面(虚拟裂纹面)的黏塑性两方面,丰富了软岩巷道大变形机制,即介质的黏弹性小变形、块体的大位移及之间的空隙以及界面的黏塑性变形共同作用。巷道围岩宏观上的大变形无须采用复杂大变形理论即可描述。 展开更多

关键词 软岩 蠕变 大变形 巷道围岩 连续-非连续方法 黏弹性 剪裂

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基于SPH法的两种围压加载方式对比研究 被引量：1

8

作者 舒芹 王学滨 +2 位作者 赵扬锋 白雪元 李继翔 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2021年第5期1946-1952,共7页

在光滑粒子流体动力学法(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)中,围压加载方式包括板加载和力加载。对于传统的板加载,当剪切带发展至模型边界附近时,边界应力将与预设围压不相等。为此,发展了可调控板加载的围压施加方法。在可调控... 在光滑粒子流体动力学法(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)中,围压加载方式包括板加载和力加载。对于传统的板加载,当剪切带发展至模型边界附近时,边界应力将与预设围压不相等。为此,发展了可调控板加载的围压施加方法。在可调控板加载和力加载方式下对比分析了双轴压缩岩样和洞室围岩的变形破坏过程。数值结果表明:在两种围压加载方式下,随着围压的增加,双轴压缩岩样的抗压强度和残余强度均基本呈线性增加,并且岩样中拉破坏粒子数逐渐减少,即围压的作用阻碍了拉伸破坏的发生。对于洞室围岩,当侧压系数大于1.0时,两种围压加载方式下围岩中剪切带及其附近的未破坏区的轮廓线均呈椭圆形,且侧压系数越大,轮廓线的长轴越长,而短轴无明显变化;随着侧压系数的增大,拉伸破坏由洞壁四周向两帮转移;在力加载方式下,模型整体稍有旋转,促进了剪切带扩展的非对称性;在可调控板加载方式下,模型不能旋转,剪切带扩展的非对称性不易发生。 展开更多

关键词 SPH法 围压 力加载 板加载 双轴压缩 剪切带 洞室围岩 侧压系数

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单轴压缩黏性土剪切带相互作用及损伤试验研究 被引量：4

9

作者 王学滨 张楠 +2 位作者 潘一山 张博闻 杜亚志 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第4期1168-1175,共8页

剪切带损伤研究对于理解材料破坏机制和建立剪切带本构模型具有重要意义。为了研究单轴压缩黏性土样的剪切带损伤演化规律,根据纵向应变较高时清晰剪切带位置布置切向测线,对数字图像相关方法获得的结果进行双三次样条插值,从而获得光... 剪切带损伤研究对于理解材料破坏机制和建立剪切带本构模型具有重要意义。为了研究单轴压缩黏性土样的剪切带损伤演化规律,根据纵向应变较高时清晰剪切带位置布置切向测线,对数字图像相关方法获得的结果进行双三次样条插值,从而获得光滑性较好的各种应变场。将土样整体的损伤变量-纵向应变曲线与各条剪切带的损伤演化曲线进行了对比。研究发现:(1)总体上,土样整体的损伤变量演化曲线呈线性,而各条剪切带的损伤变量演化曲线均上凹,这表明随着纵向应变的增加,各条剪切带的损伤发展越来越快;(2)各条剪切带的损伤变量演化曲线的轮廓线呈马尾形,这说明随着剪切带的逐渐发育,各条剪切带的相互影响和作用规律变强;(3)对于含水率较低的土样,平行或共线剪切带的损伤变量变化基本同步,特别是在剪切带充分发育之后,但两条剪切带的距离应较小;在一定时期,共轭或交叉剪切带中剪切带的损伤占优,这与剪切带的相互竞争有关,但若两条剪切带达到独立发展的程度,则二者的损伤变量变化可以同步;对于含水率较高的土样,各条平行或共轭剪切带的损伤变量变化基本同步,剪切带的相互作用不明显。 展开更多

关键词 黏性土样 剪切带 相互作用 损伤变量 同步

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基于连续-非连续方法的正断层下盘开采断层滑移演化研究 被引量：4

10

作者 王学滨 刘桐辛 +1 位作者 岑子豪 薛承宇 《防灾减灾工程学报》 CSCD 北大核心 2021年第4期804-812,共9页

在自主开发的拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法的基础上,为了模拟时间较长的煤炭开采过程,提出了准静力计算模式;针对煤层离散单元形成的聚集体仍能承受超过自身承载能力的问题,发展了应力跌落方法;以济三煤矿6303工作面的地质条... 在自主开发的拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法的基础上,为了模拟时间较长的煤炭开采过程,提出了准静力计算模式;针对煤层离散单元形成的聚集体仍能承受超过自身承载能力的问题,发展了应力跌落方法;以济三煤矿6303工作面的地质条件为背景建立了更准确的力学模型,其中,在断层上盘下端面施加了适当的垂直向上的均布载荷,以克服前人力学模型中由于模型下端面位移被限制断层难以在此位置错动而造成的应力集中问题;通过剔除开采前的断层滑移量,提出了纯粹由采动引起的断层上盘滑移量的计算方法。结果表明:当工作面与断层的距离减少时,煤层下方测点的滑移量呈缓慢增加-缓慢减少-急剧增加的趋势,煤层上方测点的滑移量呈缓慢增加-迅速增加的趋势;同一岩层中测点的滑移量相差不大;高位岩层将先于低位岩层发生明显滑移,断层滑移基本是由上至下发展的,且高位岩层的滑移程度比低位岩层的大;当工作面与断层距离相同时,若开采间隔较小,则煤层上方测点的滑移量较小;当工作面与断层距离小于等于100 m时,采空区上方附近岩层发生明显滑移,应该加强支护。 展开更多

关键词 连续-非连续方法 煤炭开采 断层 应力集中 滑移量

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岩土工程相似模拟试验观测的可靠子区数字图像相关方法 被引量：2

11

作者 董伟 王学滨 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第9期2525-2534,共10页

在岩土工程相似模拟试验过程中,相似模型表面会出现裂纹和颗粒脱落,开采区域与模型表面的贯通处会形成无效区域。在测量这些情形下的变形时,传统数字图像相关(digital image correlation,简称DIC)方法会存在一定的局限性。为了提高DIC... 在岩土工程相似模拟试验过程中,相似模型表面会出现裂纹和颗粒脱落,开采区域与模型表面的贯通处会形成无效区域。在测量这些情形下的变形时,传统数字图像相关(digital image correlation,简称DIC)方法会存在一定的局限性。为了提高DIC方法对于相似模拟试验过程观测的适用性,基于图像特征匹配算法提出了可靠子区DIC方法。在提出方法中,首先,通过对变形前后图像进行特征匹配以选择可靠子区;然后,通过相关运算获得可靠子区的变形参数;最后,通过对测点周围一定区域内的可靠子区中心点的位移进行最小一乘拟合获得测点的变形参数。利用提出的方法观测了采动诱发断层滑移相似模拟试验过程,并将观测结果与传统方法的进行了对比。结果表明:与传统方法相比,利用提出方法能准确地识别出裂纹和无效区域,并能获得这些区域附近更加完整的位移;提出的方法对模型表面的颗粒脱落有较强的稳定性。 展开更多

关键词 岩土工程 相似模拟试验 DIC方法 特征匹配 最小一乘拟合 断层

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基于环绕测点子区分割的数字图像相关方法剪切带宽度测量研究 被引量：2

12

作者 张博闻 王学滨 董伟 《计量学报》 CSCD 北大核心 2022年第1期40-47,共8页

提出了一种致力于改善狭窄、高应变梯度剪切带宽度测量精度的数字图像相关方法。通过对测点的原始子区的有限分割,使后代子区环绕在测点周围,以使一些后代子区位于简单变形区域,进而以最佳后代子区的结果作为测点结果。通过对比提出方... 提出了一种致力于改善狭窄、高应变梯度剪切带宽度测量精度的数字图像相关方法。通过对测点的原始子区的有限分割,使后代子区环绕在测点周围,以使一些后代子区位于简单变形区域,进而以最佳后代子区的结果作为测点结果。通过对比提出方法和粗-细方法的虚拟剪切带宽度测量结果,验证了提出方法的有效性,并从理论上分析了剪切带宽度测量误差。研究表明:对于虚拟剪切带,在理论上,提出方法的剪切带宽度不受子区尺寸的影响;与粗-细方法相比,受子区尺寸的影响较小,而受测点间隔的影响较大,但测量结果更准确。 展开更多

关键词 计量学 剪切带宽度 数字图像相关方法 子区尺寸 子区分割 粗-细方法

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岩层运动并行计算系统StrataKing及应用 被引量：2

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作者 王学滨 余保健 +3 位作者 马立强 李小帅 张钦杰 杜轩 《河北工程大学学报（自然科学版）》 CAS 2023年第4期9-17,共9页

为了克服国外串行商业软件的功能有限、计算规模小和计算效率低的问题,历时10余年,自主研发了拉格朗日元与离散元耦合的岩层运动GPU并行计算系统StrataKing。介绍了Strata-King的计算流程、基本原理和功能,各计算模块均在GPU上执行。通... 为了克服国外串行商业软件的功能有限、计算规模小和计算效率低的问题,历时10余年,自主研发了拉格朗日元与离散元耦合的岩层运动GPU并行计算系统StrataKing。介绍了Strata-King的计算流程、基本原理和功能,各计算模块均在GPU上执行。通过模拟三点弯梁的开裂过程,检验了StrataKing的正确性。在静水压力条件下,当单元数目较多时,巷道围岩的裂纹以更加弯曲、柔美而非突兀、生硬状向围岩深部发展,这与塑性力学中圆环形的各处均破坏的塑性区有所不同。在采动条件下,工作面煤壁超前支承压力和水平应力均具有峰值,后者与岩层之间的黏结作用有关,这与基于连续介质假定的厚壁筒径向应力特征有所不同。由此,StrataKing的大规模计算能力、丰富的功能和行业鲜明特色得到了进一步呈现。 展开更多

关键词 岩层运动 并行计算 GPU 开裂 工作面 巷道

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基于岩层运动并行计算系统的锚杆单元原理、实现及巷道支护效果分析 被引量：5

14

作者 王学滨 岑子豪 +2 位作者 陈双印 薛承宇 杜轩 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第8期3020-3029,共10页

在自主开发的适于模拟连续介质向非连续介质转化或非连续介质进一步演化的岩层运动并行计算系统(基于拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法)中,引入了一种能反映轴向和剪切变形的锚杆单元,形成了锚杆模块。2个锚杆节点与之间的构件组... 在自主开发的适于模拟连续介质向非连续介质转化或非连续介质进一步演化的岩层运动并行计算系统(基于拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法)中,引入了一种能反映轴向和剪切变形的锚杆单元,形成了锚杆模块。2个锚杆节点与之间的构件组成锚杆单元,其本质是在任一种覆盖(将1个四边形单元离散成2个三角形子单元,离散方式有2种,即2种覆盖)中,锚杆节点相对于子单元的位置保持不变。控制循环由CPU执行,密集的计算任务由GPU执行,锚杆模块与其他模块同时执行以获得较高的计算效率。考察了拉拔试验中不同位置锚杆单元轴力的演化规律。随着拉拔的进行,距离拉拔端一定距离内的锚杆单元轴力呈振荡上升趋势,从围岩对锚杆作用的角度对此进行了解释。通过将目前的锚杆轴力分布与基于Mindlin问题的位移解推导出的理论结果进行对比,验证了锚杆单元的正确性。为了研究锚杆单元对巷道的支护效果,以巨野矿区某轨道大巷为背景建立力学模型,得到了有无锚杆支护条件下巷道围岩的变形—开裂—运动过程。研究发现,锚杆单元对于阻碍巷道围岩变形、控制裂纹发展和改善应力分布具有良好的效果,这是由于锚杆长度范围内围岩围压增大导致了围岩承载力提高。目前的锚杆支护条件下的结果(巷道附近破坏区内岩石单元之间的明显裂纹使围岩发生了较大膨胀)比传统连续方法的结果更符合实际。 展开更多

关键词 锚杆单元 巷道围岩 连续-非连续方法 支护效果 并行计算

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势接触法中法向刚度系数取值研究及岩层运动过程模拟 被引量：4

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作者 王学滨 薛承宇 +2 位作者 岑子豪 陈双印 刘桐辛 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第6期1694-1704,共11页

采场上覆岩层的开裂和破断在力学上可归结为连续介质向非连续介质转化或非连续介质进一步演化。正确模拟岩层运动对于岩层稳定性控制和有关灾害预防具有极其重要的意义。在自主开发的拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法中,只有法向... 采场上覆岩层的开裂和破断在力学上可归结为连续介质向非连续介质转化或非连续介质进一步演化。正确模拟岩层运动对于岩层稳定性控制和有关灾害预防具有极其重要的意义。在自主开发的拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法中,只有法向刚度系数正确取值,势接触力才更可靠。为了模拟时间较长的开采过程和解决煤层离散单元形成的聚集体仍能承受超过自身承载能力的问题,采用了准静力模式和应力跌落方法。为了有助于正确选择适于模拟岩层相互作用的法向刚度系数,首先对其进行了标定,以考察嵌入引起的误差的影响。然后设计了4组(上相对较软-下相对较硬、两相对较软、上相对较硬-下相对较软和两相对较硬)两岩块撞击-平衡过程的数值试验,并以其中一组为例进行了重点分析。通过考察两岩块的嵌入量和上岩块下表面的平均应力的演化以及上块从运动到平衡的时长,最终得到了具有普适性的结果,即法向刚度系数与弹性模量的比值为15 m^(-1)时较为适当。为了检验上述建议值是否适于模拟采场岩层运动,以某煤矿1141工作面为例进行了计算。研究发现,在法向刚度系数取为建议值时,计算结果较为合理,且计算效率较高。 展开更多

关键词 连续-非连续方法 势接触 法向刚度系数 准静力计算 岩层运动

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基于势接触连续-非连续方法的双层叠梁开裂过程模拟

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作者 王学滨 李继翔 +1 位作者 杜轩 郑一方 《防灾减灾工程学报》 CSCD 北大核心 2024年第5期1011-1019,共9页

弱黏结岩层容易发生滑动和离层,进而引发灾害。为了检验自主开发的势接触连续-非连续方法中的无黏结叠梁模型并深入了解其破坏后的力学行为,针对三点弯双层叠梁开展研究,并考察了势接触力求解中法向刚度系数的影响。通过将两个岩层叠合... 弱黏结岩层容易发生滑动和离层,进而引发灾害。为了检验自主开发的势接触连续-非连续方法中的无黏结叠梁模型并深入了解其破坏后的力学行为,针对三点弯双层叠梁开展研究,并考察了势接触力求解中法向刚度系数的影响。通过将两个岩层叠合在一起建立叠梁模型,二者发生嵌入,因而存在相互作用的势接触力。通过改变单梁叠放顺序,分别形成了上砂岩下泥岩叠梁和上泥岩下砂岩叠梁。除了考察了载荷-位移曲线、最大主应力云图,还考察了裂纹区段数目的演化规律,以深化对叠梁复杂力学行为的理解。研究结果表明:(1)双层叠梁的载荷-位移曲线能与有关的实验结果吻合。(2)上泥岩下砂岩叠梁的各单梁裂缝出现时刻晚于上砂岩下泥岩叠梁的;前者的第1次硬化和第1次软化阶段比后者的长;前者的第2次硬化阶段不如后者的明显;前者的第2次软化阶段不如后者的明显,呈明显脆性。(3)对于上硬下软叠梁,随着法向刚度系数的减小,第1和第2峰值载荷对应的位移均增大。(4)对于上软下硬叠梁,随着法向刚度系数的减小,载荷-位移曲线由双峰或多峰向单峰转变。 展开更多

关键词 弱黏结 三点弯 叠梁 开裂过程 势接触 连续非连续方法

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基于数字图像相关方法的等应变率下不同含水率砂样剪切带观测 被引量：16

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作者 王学滨 杜亚志 +1 位作者 潘一山 顾路 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第3期625-632,共8页

在压缩位移控制加载条件下（加载速率为5 mm/min）,针对不同含水率（12.7%~16.5%）砂样,利用自主开发的基于粒子群优化的数字图像相关方法,开展了最大剪切应变场的观测研究,获取了子区尺寸对砂样不同位置最大剪切应变的影响规律。研究发... 在压缩位移控制加载条件下（加载速率为5 mm/min）,针对不同含水率（12.7%~16.5%）砂样,利用自主开发的基于粒子群优化的数字图像相关方法,开展了最大剪切应变场的观测研究,获取了子区尺寸对砂样不同位置最大剪切应变的影响规律。研究发现,随着砂样含水率的增加,变形更加均匀,最大剪切应变高值区分布变得宽广,反映了剪切带的数目增加,微裂纹出现之前的最大剪切应变提高;随着纵向应变的增加,在应变高值区,最大剪切应变以非线性方式迅速增加,但在应变低值区,一般以线性方式增加。当剪切带出现以后,特别是在变形后期,子区尺寸对最大剪切应变有明显的影响。最大剪切应变随子区尺寸变化的演变规律与子区所处位置密切相关。 展开更多

关键词 砂样 含水率 位移控制加载 剪切带 子区尺寸 最大剪切应变 数字图像相关方法

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加载方式及抗拉强度对巴西圆盘试验影响的连续-非连续方法数值模拟 被引量：27

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作者 郭翔 王学滨 +2 位作者 白雪元 王春伟 齐大雷 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第1期214-220,共7页

研究了集中加载、加载板加载和平台加载3种不同加载方式对巴西圆盘的宏观力学行为、开裂过程以及材料的抗拉强度的影响。对于平台加载方式给出了不同平台加载角时抗拉强度的修正系数。在数值模拟中,采用了自主开发的连续-非连续方法,该... 研究了集中加载、加载板加载和平台加载3种不同加载方式对巴西圆盘的宏观力学行为、开裂过程以及材料的抗拉强度的影响。对于平台加载方式给出了不同平台加载角时抗拉强度的修正系数。在数值模拟中,采用了自主开发的连续-非连续方法,该方法将拉格朗日元、变形体离散元及虚拟裂纹模型耦合在一起,既可以很好地模拟弹性阶段的变形,又可以较好地模拟材料的真实开裂过程。研究发现,采用平台加载方式,有利于圆盘中心起裂,而采用集中加载和加载板加载方式,圆盘的加载部位容易发生剪破坏。在圆盘中心起裂时,集中加载方式的抗拉强度的数值解最接近于选取的抗拉强度,然后是加载板加载方式,最后是平台加载方式。无论对于哪种加载方式,在材料的抗拉强度较小时,圆盘易于中心起裂,否则圆盘的加载部位将发生剪破坏。圆盘中心起裂后,众多微裂纹汇聚成的裂纹带在垂直方向不断扩展,直至贯穿整个圆盘,同时伴有应力波产生并传播。 展开更多

关键词 巴西圆盘 开裂 抗拉强度 加载板:巴西平台圆盘 集中力 连续-非连续方法 数值模拟

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单轴压缩湿砂样局部及整体体积应变的数字图像相关方法观测 被引量：16

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作者 王学滨 杜亚志 潘一山 《岩土工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第9期1648-1656,共9页

确定体积应变局部化区域对于涉及孔隙流体的地质灾害研究具有重要意义。体积应变局部化区域可能比最大剪切应变局部化区域更接近于孕灾地点。在单轴压缩位移控制加载条件下,测试了3个湿砂样(含水率为12.7%~17.1%)的应力–纵向应变曲线,... 确定体积应变局部化区域对于涉及孔隙流体的地质灾害研究具有重要意义。体积应变局部化区域可能比最大剪切应变局部化区域更接近于孕灾地点。在单轴压缩位移控制加载条件下,测试了3个湿砂样(含水率为12.7%~17.1%)的应力–纵向应变曲线,在微裂纹出现之前及稍后,利用自主开发的基于粒子群优化的数字图像相关(DIC)方法计算了砂样的局部体积应变的变化规律。研究发现,在加载过程中,局部体积应变由均匀分布(近似线性阶段)向不均匀分布(硬化阶段)转变,直至出现局部体积应变局部化现象。在剪切带切向上,和最大剪切应变的相对均匀分布相比,局部体积应变的分布具有多峰性,这应与周期性的微裂纹出现有关。在微裂纹出现稍前,剪切带的变形是以膨胀为主,剪切带已较为显著,带内的最大剪切应变和局部体积应变分别比带外多2倍和4倍,但在此前,剪切带的膨胀和收缩现象共存。计算了所有测点所围区域的整体体积应变随纵向应变的演变规律。基于DIC方法的整体体积应变计算方法的优越性在于:具有亚像素精度,考虑了应变二阶量的影响。 展开更多

关键词 湿砂样 膨胀 剪切带 体积应变 数字图像相关方法 地质灾害

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单轴压缩湿土样最大剪切应变场数字图像相关方法结果的统计分析 被引量：9

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作者 王学滨 张楠 +1 位作者 潘一山 杜亚志 《岩土工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第6期996-1003,共8页

研究了单轴压缩湿土样沿剪切带方向的最大剪切应变的均值和标准差以及剪切局部化区域尺寸的演变规律。为了深入揭示土样剪切带萌生的过程,根据纵向应变较高时清晰剪切带所处位置在土样上布置测线,对由数字图像相关方法获得的结果进行双... 研究了单轴压缩湿土样沿剪切带方向的最大剪切应变的均值和标准差以及剪切局部化区域尺寸的演变规律。为了深入揭示土样剪切带萌生的过程,根据纵向应变较高时清晰剪切带所处位置在土样上布置测线,对由数字图像相关方法获得的结果进行双三次样条插值,从而获得测线上光滑性较好的最大剪切应变分布。研究发现,随着纵向应变的增加,沿剪切带方向的最大剪切应变由低值多峰向高值少峰转变。测线上最大剪切应变发生突增的点、局部高值点及低值点均有可能发展成为主峰。测线上最大剪切应变的均值和标准差随纵向应变的演变规律在总体上均呈上凹形,但当纵向应变较低时,二者均呈线性。以上述两种统计量线性规律丧失所对应的平均最大剪切应变作为剪切带萌生的条件。随着纵向应变的增加,土样中发生剪切局部化的区域越来越大。欲达到相同的剪切局部化区域尺寸,含水率高的土样所要求的纵向应变较高。当纵向应变较高时,含水率高的土样的剪切局部化区域尺寸比含水率低的土样要大,这与其塑性变形阶段较长有关。 展开更多

关键词 湿土样 剪切带 最大剪切应变 统计 剪切局部化

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